CN110577315A

CN110577315A - 一种浮游植物的全过程治理方法

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Publication number: CN110577315A
Application number: CN201910931231.7A
Authority: CN
Inventors: 张列宇; 祝秋恒; 李伟; 李国文; 李晓光; 李曹乐; 黎佳茜; 车璐璐; 赵琛
Original assignee: Chinese Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences; Chinese Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2019-12-17
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110577315B; WO2021057553A1; US20210387882A1

Abstract

本发明涉及水环境治理领域，具体公开了一种浮游植物的全过程治理方法。所述方法包括将自然环境中的水体先通过过滤装置去除水体中的大体积颗粒物，再通过设有多极永磁式磁铁的水管进行预磁化，然后进入调节池对水体进行均质化和/或絮凝沉淀，分离水体中的浮游植物和悬浮颗粒物，之后根据浮游植物的不同生长阶段，通过施加不同磁场强度抑制甚至直接杀死浮游植物，实现成本和效果的最优化，最后对磁化后的水体进行曝气充氧，释放到自然水环境中。

Description

一种浮游植物的全过程治理方法

技术领域

本发明涉及水环境治理领域，具体地说，涉及一种浮游植物的全过程治理方法。

背景技术

浮游植物的大量繁殖，使水体中的溶解氧下降，造成其它水生生物死亡，从而导致水生生态系统和水功能受到阻碍和破坏。在当浮游植物增殖到一定数量时就会产生散发恶臭、水体透明度降低、水体溶解氧降低、有毒物质的释放、人们生活用水短缺、水生生物稳定性和多样性降低等现象，给水资源的利用、给饮用水、工农业等领域带来巨大损失，严重阻碍经济可持续化发展，制约人们生活水平的提升。

现有的浮游植物治理技术众多，包括物理方法(如机械除藻、投加黏土、水利工程控藻、遮光、超声波等)、化学方法(如投加硫酸铜、络合铜、二氧化氯等化学药剂、絮凝沉淀法、黏土矿物絮凝法)和生物方法(如投加鱼类、引入原生动物、高等植物的引种以及微生物菌剂等)。

然而，上述方法还存在一定的弊端，例如，使用化学药剂杀藻，藻类虽被杀死沉入水底，但并未从根本上从湖体移出氮磷；底泥疏浚等需消耗大量的工程费用，从根本上也不能减少内源污染物。且在不同季节，浮游植物的特性具有较大变化。在不同时期，浮游植物特性和存在的界面是不同的，因此单一的治理方法治理效果往往较差。

故而，物理和化学方法中大多只能作为应急手段，既不能使得问题得到根除，还会对水生态系统产生较大的冲击，造成水生态系统的崩溃。生物方法目前主要的是利用生态链的原理进行除藻与治理，但目前并不能达到理想的效果。

且上述这些方法大多针对的是处于增长期的浮游植物和衰退期的藻类，这些藻类的共同特点是处于上浮水中。然而实际上，大量以孢子等形式休眠在上层底泥中的藻类，是造成浮游植物问题反复出现、难以根除的原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浮游植物的全过程治理方法，以解决现有技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种浮游植物的全过程治理方法，所述方法包括如下步骤：

(1)利用水泵，使自然环境中的水体经过过滤装置，去除水体中的大体积颗粒物；

(2)将过滤后的水体通过设有多极永磁式磁铁的水管进行预磁化；

(3)将预磁化处理后的水体注入调节池，对水体进行均质化和/或絮凝沉淀，分离水体中的浮游植物和悬浮颗粒物；

(4)将步骤(3)处理后的水体通过磁化器进行磁化，并对磁化后的水体进行曝气充氧，使水体的溶解氧浓度维持在15～20mg/L的范围，经布水管释放到自然水环境中。

进一步地，在所述方法实施前，对待治理水体进行现场实勘，通过测定水体的叶绿素含量、水温及水质指标(如TN、TP、COD、SS)，一方面用来确定水体中富营养化程度和浮游植物数量以确定是否需在步骤(3)中使用絮凝剂及絮凝剂的用量；另一方面用来确定浮游植物的生长阶段以确定步骤(4)中的磁化强度和时间。

具体地说：

根据叶绿素a的含量确定水体中浮游植物的含量，分为轻度营养化(chl-a<26mg/m³)、中度营养化(26mg/m³<chl-a<64mg/m³)、重度营养化(chl-a>64mg/m³)。根据叶绿素a的含量从而确定水体的是否需进行预处理，避免藻的生物量过多造成后续磁化效果下降，并可根据藻类生物量确定絮凝剂和的用量，避免过量的絮凝剂造成水体的二次污染。

当chl-a≥26mg/m³时，在步骤(3)中采用絮凝剂进行絮凝沉淀；当chl-a<26mg/m³时，无需在步骤(3)中采用絮凝剂进行絮凝沉淀，仅对水体进行均质化即可。

所述均质化具体为通过水泵将河湖水体提升至调节池中，通过搅拌器使得水体均质化，颗粒物等在重力的作用下被分离。

所述絮凝剂采用对环境影响较小的PAC，由于富营养化水体中TP是限制性因素，因此采用水体中的TP作为PAC的计算基准，具体投加系数为1.5。

根据水体温度将浮游植物的生长阶段分为：休眠期(0℃～5℃)、复苏期(5℃～15℃)、增长期(＞15℃)。

作为优选，本发明步骤(4)根据浮游植物的不同生长阶段，通过施加不同磁场强度抑制甚至直接杀死浮游植物，实现成本和效果的最优化。具体为：对水体中浮游植物生长阶段确定为复苏期的水体，施加150mT～500mT的磁场1～5min；对水体中浮游植物生长阶段确定为休眠期和增长期的水体，施加500mT～1000mT的磁场5～20min。

休眠期(0℃～5℃)：浮游植物的休眠期一般处于秋冬季节。此时的浮游植物会应对低温环境而位于底泥表面，并形成厚壁孢子休眠跃冬。此时浮游植物的细胞处于休眠状态，且抵御外界环境胁迫的能力较强。因此通过高强磁场的磁化水对其进行诱导，主要体现在以下几个方面：(1)高强度的磁场可以穿透孢子的细胞壁，直接影响孢子内的代谢；(2)通过磁化诱导作用抑制gvpA和gvpC基因的转录和表达，从而减少GvpA和GvpC蛋白产生；而GvpA和GvpC蛋白是伪空胞的主要构筑物。因此利用磁化水技术可有效抑制浮游植物伪空胞的形成，从而抑制浮游植物上浮进行光合作用。(3)大分子的水分子被磁化后形成小分子水，这些小分子水不仅提高了营养物质的溶解度，也更容易穿透细胞膜，因而带入大量的营养物质进入浮游植物细胞内进行代谢，产生了更多的淀粉物质使得浮游植物自重远高于自身浮力。

复苏期(5℃～15℃)：一般处于初春时期，此时浮游植物经受过长期的休眠，生长和代谢较慢，处于最脆弱的时期，抗外界干扰能力较低。此时，可在较低磁场下磁化水体直接抑制甚至杀死浮游植物。

增长期(15℃～)；此时，浮游植物的生长代谢活动处于最佳，具有较强的代谢活动，因此抵御外界环境的胁迫能力稍强。通过高强度的磁化水可定向作用于浮游植物的PSII光合系统，抑制其酶活性，从而有效抑制浮游植物的爆发。

进一步地，由于不同的水体由于存在着不同组分，包括盐、碱、酸、悬浮物、金属元素、非金属元素等成分，因此造成磁效应差别较大，因此需根据现场水质和处理目标，适当调节磁化参数。

在对浮游植物处于复苏期的水体进行磁化时，在原有的磁场强度基础上根据TP含量调节磁场强度。当TP≥0.02mg/L，可施加300mT～500mT的磁场，强化TP的去除效果。

在对浮游植物处于休眠期或增长期的水体进行磁化时，在原有的磁场范围内调节磁场强度，当TP≥0.02mg/L时施加800mT～1000mT的磁场。

进一步地，步骤(1)所述的过滤装置为格栅，可根据现场情况具体调节，包括耙齿栅隙为5mm～50mm等规格，安装角度为60°～70°，最大过水流量≥160m³/h，最大液体流速≥0.3m/s。过滤装置主要去除河湖等自然水体中存在的大颗粒垃圾、动植物残体、体型较大的浮游植物，减轻后续处理工艺的负担、避免杂质过多导致后续工艺设备的损坏。

进一步地，步骤(1)所述的水泵为潜水泵，可根据现场水体处理流量设置，为满足异位处理方式，所用潜水泵扬程应≥10m，最大流量应≥160m³/h。

进一步地，步骤(2)所述的永磁式磁铁的种类是稀土汝铁硼。

所述水管优选直径100mm～200mm，长度5m以上，可根据实际情况进行调整，并通过每隔10cm～50cm设置一个永磁式磁化器，实现多极磁化，强化水体的磁化效果，增加磁化时间。

利用永磁式磁铁对河湖水体进行预磁化，通过预磁化一方面改变水分子结构，增加后絮凝剂的溶解度，从而减少絮凝剂的投加量，降低对环境的影响也节约成本；另一方面，增加磁化时间，强化磁化效果和延长磁效应滞留时间。

进一步地，步骤(3)所述的调节池体积可根据具体水体处理量设置。

进一步地，步骤(4)中的水体在磁化处理后，浮游植物经磁化水诱导后会严重抑制浮游植物的生长代谢，造成浮游植物的大量死亡，从而导致水体溶解氧水平骤低。水体经曝气充氧后，可有效防止溶解氧水平降低，避免水生态遭到破坏。本发明所采用的曝气充氧是对水体充入纯氧，并通过水合反应提升水体溶解氧含量，其中曝气系统的氧源采用制氧设备(PSA)制氧。

曝气充氧后的水体经布水管释放到自然水环境中，布水管的出水位置根据浮游植物的生长阶段设置：当浮游植物处于休眠、复苏期时，大量的浮游植物存在于底泥上层，因此出水经布水管均匀的分布在泥水界面；当浮游植物处于增长期时，出水经布水管均匀的分布于上浮水中即可。

为实现本发明所述的浮游植物的全过程治理方法，本发明进一步提供了一种浮游植物的全过程治理系统，包括先后依次设置的水泵、过滤装置、设有多极永磁式磁化器的水管、调节池、磁化器、曝气充氧装置和布水管(出水管)；

其中，曝气充氧是采用纯氧-混流增氧系统，由纯氧制氧器、水泵、混流器组成。其中，通过混流器使纯氧与水体充分混合，并增加河湖自然水体的水体交换。

总的来说，本发明根据浮游植物的不同生长阶段，通过施加不同磁场强度抑制甚至直接杀死浮游植物，实现方法成本和效果的最优化，具体技术步骤包括：1、现场实勘，通过实测水体叶绿素指标、水温、以及水质指标，一方面通过确定自然水体中浮游植物的数量和水质以确定是否需絮凝沉淀池进行预处理以及絮凝剂用量；另一方面鉴定浮游植物的生长阶段以确定磁化强度和时间。2、水体经水泵提升至过滤装置，去除水体中动植物残体、垃圾等大颗粒物，避免影响后续工艺。3、经过滤装置去除大体积颗粒物后，经设置多极永磁式磁铁的水管进行预磁化；4、提升至调节池中，一方面进行水质调节、使水质更加均质化；另一方面根据叶绿素a指标投加絮凝剂，使水体浮游植物和悬浮颗粒物在经絮凝成团后在重力的作用下得到分离；5、水体经前序处理后进入磁化器装置进行磁化，使水体在磁场中做切割磁感线运动，水分子的氢键、范德华力等也在磁场的作用下发生改变，包括氢键键长、键角的改变，从而使水体的物化性质发生改变，如透明度、水体表面张力、溶解度等，大缔合水分子集团变成小分子集团甚至是单个水分子，根据浮游植物的不同阶段调节不同的磁场参数，可直接影响生物的营养物质吸收、生物酶活性和光合作用等，从而具有抑制藻类生长的作用；6、为避免经磁化后浮游植物腐败消耗大量溶解氧从而导致水体黑臭，因此磁化后的水体后经曝气充氧设备，向水体中充氧，提升水体溶解氧水平；7、水体经曝气充氧后，经出水管和布水管均匀的分布到河道中，并增强河道水体交换。

本发明涉及到的原料均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。

本发明的有益效果在于：

本发明通过以浮游植物的各个生长阶段来确定磁化方案，实现了高效的浮游植物生长全过程治理。一方面，通过磁化水产生的生物磁效应抑制不同生长阶段浮游植物的生长、代谢和繁殖，从而抑制水体中的浮游植物数量。另一方面通过抑制浮游植物伪空胞的形成，降低浮游植物浮力，从而降低浮游植物的光合作用水平，从而达到抑制浮游植物的效果。

在利用磁化水技术抑制甚至杀死浮游植物会造成后期水体耗氧量的增加，因此通过联用曝气充氧设备给水体充氧，为后期浮游植物的死亡降解提供氧气，避免浮游植物腐败造成水体亏氧。因此，本发明为从浮游植物的生长到浮游植物的休眠全过程提供了可靠、有效且成本低廉的治理方法和技术。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

本实施例用于说明度浮游植物进行全过程治理的系统，包括如下依次连接的装置：潜水泵、粗格栅、设有永磁式磁铁的进水管、调节池、磁化设备、曝气充氧设备以及布水管。

其中，潜水泵的扬程为15m，功率为160m³/h。

其中，粗格栅的格栅间隙为40mm，安装角度为60°。

其中，进水管的直径为160mm，长度为5m；永磁式磁铁的原材料为稀土汝铁硼。

其中，调节池为长方体装置，尺寸为3.0m×1.5m，有效水深2m，有效容积9m³。

其中，磁化设备的最大处理量为5000m³/d，磁场范围为50mT～2500mT。

其中，曝气充氧设备的制氧量为300Kg/d，可制纯度为95％的纯氧。

实施例2浮游植物的治理

本实施例以重度富营养化的农村池塘水体为例，说明利用实施例1所述系统对浮游植物进行治理的方法。

经检测，该农村池塘的水温16～28℃，水体中浮游植物处于增长期，水体中的叶绿素a含量达78μg/L，TP含量达0.33mg/L，属于重度富营养化水体。

将池塘水体利用潜水泵提升至粗格栅并通过，去除水体中存在的大颗粒垃圾、动植物残体、及体型较大的浮游植物；

将过滤后的水体通过设有永磁式磁铁的进水管进行预磁化，水流速度约为0.5～1.0m/s；

水体经预磁化处理后进入调节池，在利用搅拌器进行均质化，之后投加PAC絮凝剂，投加量为TP含量的1.5倍，对水体进行絮凝沉淀，分离水体中的浮游植物和悬浮颗粒物；

将絮凝沉淀处理后的水体通入磁化设备中在800mT的磁场强度下磁化5min，并对磁化后的水体进行曝气充氧，使水体的溶解氧浓度维持在15mg/L～20mg/L的范围，经布水管排放于池塘中。

持续上述处理10d，监测该池塘中水体的Chl-a、TP、TN以及利用显微镜对表层底泥(3cm)藻细胞数目进行计数，结果如表1所示：

表1

对比例1

为了研究对水体进行磁化处理对不同生长时期的浮游植物的影响，本对比例在藻类的不同生长阶段分别采用磁化处理和非磁化处理(水体通过调节池后，不进入磁化设备进行磁化)，为期10d后，对水体中叶绿素a、TP、TN、BOD、COD的去除率进行比较，藻类休眠期、复苏期、生长期的具体试验指标分别如下表2、表3和表4。

表2藻类休眠期指标对比

由表2可知，在藻类休眠期时，采用500～1000mT的磁场强度对于水质改善和底泥表层藻类的去除最有效。

表3藻类复苏期指标对比

由表3可知，在藻类复苏期时，采用150～500mT的磁场强度对于水质改善和底泥表层藻类的去除最有效。

表4藻类生长期指标对比

由表4可知，在藻类休眠期时，采用500～1000mT的磁场强度对于水质改善和底泥表层藻类的去除最有效。

实施例3伪空胞的调控

为更好对本发明进行验证，本发明对伪空胞进行实验室验证，并通过光培箱温度的调节模拟藻类的的三个时期，分别在5℃、15℃、30℃下对不同生长时期的藻类进行磁化与非磁化，比较伪空胞的体积大小变化，结果如表5所示。

表5

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种浮游植物的全过程治理方法，所述方法包括如下步骤：

(4)将步骤(3)处理后的水体通过磁化器进行磁化处理，并对磁化后的水体进行曝气充氧，使水体的溶解氧浓度维持在15～20mg/L的范围，经布水管释放到自然水环境中。

2.根据权利要求1所述的浮游植物的全过程治理方法，其特征在于，根据水体温度判断浮游植物的生长阶段，并根据不同生长阶段在步骤(4)中采用不同的磁场参数进行处理：

对浮游植物处于复苏期的水体，施加150mT～500mT的磁场1～5min；对浮游植物处于休眠期或增长期的水体，施加500mT～1000mT的磁场5～20min。

3.根据权利要求2所述的浮游植物的全过程治理方法，其特征在于，在对浮游植物处于复苏期的水体进行磁化时，当TP≥0.02mg/L，施加300mT～500mT的磁场；

在对浮游植物处于休眠期或增长期的水体进行磁化时，当TP≥0.02mg/L，施加800mT～1000mT的磁场。

4.根据权利要求1～3任一项所述的浮游植物的全过程治理方法，其特征在于，当水体的叶绿素a≥26mg/m³时，在步骤(3)的调节池中投加絮凝剂PAC，以水体中的TP作为计算基准，PAC的投加系数为1.5。

5.根据权利要求4所述的浮游植物的全过程治理方法，其特征在于，所述过滤装置为耙齿栅隙为5mm～50mm的格栅。

6.根据权利要求5所述的浮游植物的全过程治理方法，其特征在于，所述永磁式磁铁为稀土汝铁硼。

7.根据权利要求6所述的浮游植物的全过程治理方法，其特征在于，曝气充氧后的水体经布水管释放到自然水环境中，当原始水体中的浮游植物处于休眠、复苏期时，利用布水管将曝气充氧后的水体均匀分布在泥水界面；当原始水体中的浮游植物处于增长期时，利用布水管将曝气充氧后的水体均匀分布于上浮水中。

8.一种浮游植物的全过程治理系统，其特征在于，所述全过程治理系统包括依次设置的水泵、过滤装置、设有多极永磁式磁化器的水管、调节池、磁化器、曝气充氧装置和布水管。

9.根据权利要求8所述的全过程治理系统，其特征在于，所述设有多极永磁式磁化器的水管为在水管周围每隔10～50cm设置永磁式磁化器。

10.根据权利要求9所述的全过程治理系统，其特征在于，所述磁化器为可调式电磁式磁化器。